Необычная пара ферментов у океанского микроба может усилить накопление углерода

Исследователи из Стэнфорда обнаружили неожиданный генетический поворот у линии микробов, которые могут играть важную роль в хранении углерода в океане. Эти микробы, известные как сине-зеленые водоросли или цианобактерии, обладают двумя разными формами повсеместного фермента, которые редко встречаются вместе в одном организме.

«Это один из тех замечательных примеров в науке, когда идешь искать одно, а в итоге находишь что-то еще лучшее», — сказала Энн Декас, старший автор исследования в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Цианобактерии миллиарды лет назад изобрели оксигенный фотосинтез. В процессе производства пищи из CO₂ и солнечного света они насытили атмосферу кислородом, сделав планету пригодной для жизни.

«Цианобактерии, возможно, самая важная форма жизни на Земле. Они создали биологическую революцию», — отметила Декас.

Особые цианобактерии

Как и растения, цианобактерии используют фермент рибулозобисфосфаткарбоксилазу (Rubisco) для превращения CO₂ в биомассу. Этот один из самых распространенных белков в природе имеет несколько форм:

• Форма I Rubisco — наиболее распространенный тип, часто использует структуру карбоксисому для эффективного фотосинтеза.
• Форма II Rubisco — менее распространенный тип, не имеет карбоксисомы и эффективно работает в средах с дефицитом кислорода.

Обычно организмы имеют только одну форму Rubisco. Поэтому ведущий автор Алекс Джаффе был удивлен, обнаружив исключение, анализируя ДНК из проб морской воды, собранных у побережья Центральной и Южной Америки. Цианобактерии в некоторых пробах из мелководья, по-видимому, имели гены для обеих форм фермента.

«Моя первоначальная реакция была: "Вероятно, это ошибка"», — сказал Джаффе.

Дальнейшие исследования подтвердили, что обе формы фермента присутствуют и активно используются для фотосинтеза у цианобактерий в мелководье. Требуются дополнительные тесты, чтобы понять, как именно они используют две формы.

«Наличие двух версий может позволять удалять из воды больше CO₂ или делать это немного эффективнее», — предположил Джаффе.

Эффективность может быть ключом к выживанию в кислородной минимальной зоне (на глубине 50–150 метров), где наблюдается дефицит и кислорода, и света.

«Там очень трудно жить. У фотосинтезирующего организма при низком освещении мало энергии», — пояснила Декас.

Накопление углерода и суперэффективные культуры

Это открытие может помочь ученым прогнозировать, как способность океана поглощать углерод может измениться по мере расширения из-за изменения климата зон с низким содержанием кислорода. Наличие у некоторых цианобактерий обеих форм Rubisco говорит о том, что они могут запасать углерод эффективнее, чем считалось ранее, и могут размножаться вместе с расширяющимися бескислородными зонами.

Если две формы Rubisco действительно лучше одной, это открытие также может привести к созданию более эффективных сельскохозяйственных культур. Десятилетиями исследователи пытались модифицировать Rubisco формы I, чтобы культуры росли лучше при меньшем количестве удобрений и воды.

«Мы надеемся продолжить обсуждение этого с коллегами, работающими в области инженерии растений, чтобы увидеть, может ли это принести плоды — в прямом и переносном смысле», — сказал Джаффе.

Открытие дало Джаффе новое понимание способности жизни адаптироваться к сложным условиям: «Эти гены, несмотря на их центральную роль в метаболизме организмов, могут быть довольно гибкими и перестраиваться способами, которых мы не ожидали».