Когда метаноядные микробы едят аммиак вместо метана
Микроорганизмы, живущие за счёт метана, могут также преобразовывать аммиак как побочный эффект своего метаболизма. В процессе они производят оксид азота (NO) — ключевую молекулу в глобальном цикле азота. Учёные из Института морской микробиологии Макса Планка в Бремене (Германия) и Университета Радбауд в Неймегене (Нидерланды) обнаружили фермент, производящий NO, закрыв важный пробел в понимании того, как метанотрофы справляются с ростом концентрации аммиака в окружающей среде.
Метанотрофы окисляют метан (CH4) до диоксида углерода (CO2). Аммиак (NH3) структурно очень похож на метан, поэтому метанотрофы также со-метаболизируют аммиак, производя нитрит. Хотя этот процесс наблюдался в культурах клеток, его биохимический механизм оставался неизвестным.
Теперь учёные пролили свет на увлекательное недостающее звено в этом процессе — производство оксида азота (NO).
Роль NO и проблема гидроксиламина
NO — высокореактивная и токсичная молекула с важными ролями в биологии и атмосферной химии. Он является сигнальной молекулой, предшественником мощного парникового газа N2O, истощает озоновый слой и служит ключевым промежуточным продуктом в глобальном цикле азота.
Оказалось, что NO также ключ к выживанию метанотрофов в условиях роста уровня аммиака из-за увеличения использования удобрений. При со-метаболизме аммиака метанотрофы сначала производят гидроксиламин, который ингибирует другие важные метаболические процессы, приводя к гибели клетки. Поэтому метанотрофам нужно как можно быстрее избавляться от гидроксиламина.
«Наличие фермента, преобразующего гидроксиламин, — вопрос жизни и смерти для микробов, питающихся метаном», — говорит Боран Картал.
Открытие фермента mHAO
Для исследования использовали метанотрофную бактерию Methylacidiphilum fumariolicum, происходящую из вулканического грязевого котла с высокой температурой и низким pH вблизи Везувия в Италии.
От этого микроба учёные очистили фермент гидроксиламиноксидоредуктазу (mHAO). Ранее считалось, что этот фермент окисляет гидроксиламин до нитрита у метанотрофов. Теперь показано, что он на самом деле быстро производит NO.
Сходства, различия и последствия
Фермент mHAO очень похож на фермент «настоящих» окислителей аммиака. «Теперь ясно, что в ферментативном плане между аэробными бактериями, окисляющими аммиак и метан, нет большой разницы. Используя по сути один и тот же набор ферментов, метанотрофы могут действовать в окружающей среде как де-факто окислители аммиака», — отмечает Картал.
Остаётся неизвестным, как эти микробы окисляют NO дальше до нитрита.
Адаптация фермента mHAO к условиям горячих грязевых котлов также интригует: на уровне аминокислот mHAO и его аналог у окислителей аммиака очень похожи, но белок, выделенный из M. fumariolicum, процветает при температурах до 80 °C — почти на 30 °C выше температурного оптимума их «настоящих» родственников-окислителей аммиака.
По словам Картала, производство NO из аммиака имеет дальнейшие последствия для метаноядных микробов: «В настоящее время не известно метанотрофов, которые могли бы жить за счёт окисления аммиака до нитрита через NO, но могут существовать метанотрофы, которые нашли способ связать преобразование аммиака с ростом клеток».