Исследование «горячего» микроба, растущего на азоте с выделением метана
Учёные из Института морской микробиологии им. Макса Планка усовершенствовали культивирование микроорганизма, способного фиксировать азот (N2) с одновременным производством метана (CH4) и аммиака (NH3), и изучили детали его метаболизма.
Methanothermococcus thermolithotrophicus — это морской термофильный метаноген. Он обитает в морских отложениях при температурах около 65 °C и способен превращать азот (N2) и диоксид углерода (CO2) в аммиак (NH3) и метан (CH4), используя водород (H2). Оба продукта интересны для биотехнологий, например, производства удобрений и биотоплива.
Исследователям удалось вырастить этот микроб в ферментере, достигнув самой высокой плотности клеток из известных. Это было сложно из-за необходимости поддерживать высокую температуру, отсутствие кислорода и определённый уровень H2 и CO2.
Метаболический парадокс
Метаболические способности микроба удивительны: он использует малогенез (древний метаболизм, дающий мало энергии) для получения клеточной энергии. При этом фиксация азота требует огромных затрат энергии.
«Они немного похожи на шмелей, которые теоретически слишком тяжелы, чтобы летать, но тем не менее летают», — говорит руководитель исследования Тристан Вагнер.
Устойчивая нитрогеназа
Фермент, фиксирующий азот, — нитрогеназа. Большинство нитрогеназ требуют молибдена и ингибируются вольфраматом. Однако M. thermolithotrophicus фиксировал N2, завися только от молибдена, и не подавлялся вольфраматом, что указывает на адаптацию систем усвоения металлов и делает организм более устойчивым.
Переосмысление производства аммиака
Промышленное производство аммиака (процесс Габера — Боша) крайне энергозатратно: на него уходит 2% мировой энергии, и он даёт до 1,4% глобальных выбросов углерода.
«Процесс, используемый M. thermolithotrophicus, показывает, что в микробном мире существуют решения, которые могут позволить более эффективно производить аммиак, и их даже можно комбинировать с производством биотоплива через метан», — отмечает Вагнер.
Учёные выяснили, что в условиях фиксации азота метаноген жертвует производством белков, чтобы перераспределить энергию на усвоение азота. Следующим шагом будет изучение молекулярных деталей этого процесса и задействованных ферментов.
Исследование опубликовано в mBio.