Расширяющаяся вселенная метановых метаболизмов у архей
Метан — парниковый газ, в 20 раз более мощный, чем CO2. Миллиарды лет назад археи, производящие метан, вероятно, играли ключевую роль в формировании состава атмосферы Земли и регуляции глобального климата.
Гильом Боррель и Симонетта Грибальдо из Института Пастера (Франция) считают, что разнообразие метановых метаболизмов «сильно недооценено». В выпуске Nature Microbiology от 4 марта 2019 года они провели анализ общедоступных метагеномных данных в базе JGI Integrated Microbial Genomes & Microbiomes (IMG/M), собранных другими соавторами исследования. В результате были реконструированы 10 метагеномно-собранных геномов (MAGs), представляющих новые потенциальные метаногенные, анаэробные метанотрофные и окисляющие короткоцепочечные алканы археи.
«Есть свидетельства, что метаногенез — один из древнейших метаболизмов, первые следы которого, возможно, относятся к ~3,5 млрд лет назад», — отметили Боррель и Грибальдо.
Маркерные гены для различных метановых метаболизмов
Из 10 реконструированных MAGs пять принадлежали к недостаточно изученным или ранее не описанным линиям, а пять других были лишь отдаленно родственны известным метаногенам. Исследователи обнаружили эволюционные связи между метаболизмами метаногенеза, метанотрофии и окисления короткоцепочечных алканов. Они также идентифицировали набор из 38 маркерных генов, которые представляют собой основной набор генов, присутствующих у архей с метаболизмами, включающими метил-кофермент M редуктазу (MCR) — финальный этап метаногенеза — или MCR-подобные комплексы, вероятно, участвующие в окислении короткоцепочечных алканов.
«Мы предполагаем сценарий, в котором метаногенез, возможно, является наиболее древним энергетическим метаболизмом у архей и был независимо утрачен много раз в ходе эволюции или эволюционировал в метанотрофию и окисление короткоцепочечных алканов», — заявили ученые.
Новый представитель архей из Йеллоустоуна принадлежит к Korarchaeota
Доктора Люк МакКей и Уильям Инскип, соавторы исследования Борреля и др., также возглавили отдельное исследование, опубликованное в том же выпуске Nature Microbiology. Их работа посвящена открытию новых популяций в пределах филума Korarchaeota, одна из которых содержит гены как серного, так и метанового метаболизма.
Новые Korarchaeota были идентифицированы в термальных отложениях горячих источников Уошберн в Йеллоустонском национальном парке. Эта крупная геотермальная система содержит высокие уровни серы, метана, углекислого газа и водорода. Инскип отметил, что «источники Уошберн — высоковосстановленная, субоксическая система, которая может быть аналогом сред ранней Земли».
В рамках Программы поддержки научных сообществ JGI исследователи восстановили метагеномно-собранные геномы из отложений источников Уошберн и отнесли их к филуму Korarchaeota. Это открытие утроило известное количество геномов Korarchaeota.
Один геном — два метаболических пути
«До этого момента большинство филогеномических деревьев опирались лишь на одного представителя Korarchaeota, — сказал первый автор МакКей. — Теперь мы добавляем еще два: один похож на известный геном, а другой более отдаленно родственен и содержит гены как метанового, так и серного метаболизмов». Гены обоих путей ранее никогда не наблюдались в одной микробной популяции.
Candidatus Methanodesulfokores washburnensis был одной из самых многочисленных популяций в отложениях Уошберна. У команды есть две основные гипотезы: этот новый коррахеон может переключаться между метаногенезом и восстановлением сульфита в зависимости от условий среды, или он может сопрягать два метаболизма, используя сульфит для окисления метана и водорода. МакКей подчеркнул, что «последняя возможность будет представлять собой новый путь для анаэробного окисления метана».