Метанообразующий микроб может расти на токсичном сульфите без отравления

Учёные из Института морской микробиологии Макса Планка выяснили, как метанообразующий микроб может расти на токсичном сульфите, не отравляясь.

Метаногены — это микроорганизмы, производящие метан при отсутствии или малом количестве кислорода в окружающей среде. Их выработка метана (например, в пищеварительном тракте жвачных животных) важна для глобального углеродного цикла, поскольку метан — мощный парниковый газ, но его также можно использовать как источник энергии.

Токсичная основа для роста

Объекты исследования, опубликованного в Nature Chemical Biology, — два морских термофильных метаногена: Methanothermococcus thermolithotrophicus (живёт в геотермально нагретых осадках при ~65 °C) и Methanocaldococcus jannaschii (предпочитает глубоководные вулканы с ~85 °C). Они получают клеточную энергию, производя метан, а серу для роста — в форме сульфида, присутствующего в их среде.

Хотя сульфид ядовит для большинства организмов, для метаногенов он необходим, и они переносят даже высокие его концентрации. Однако их ахиллесова пята — токсичное и реактивное соединение серы сульфит, которое разрушает фермент, необходимый для производства метана. В своей среде оба исследуемых организма иногда подвергаются воздействию сульфита, например, когда кислород вступает в реакцию с восстановленным сульфидом. Его частичное окисление приводит к образованию сульфита, поэтому метаногенам нужно защищаться.

Молекулярный снимок процесса

Марион Йесперсен и Тристан Вагнер из Института морской микробиологии Макса Планка в Бремене вместе с Антонио Пьериком из Университета Кайзерслаутерна представили снимок фермента, обезвреживающего сульфит. Этот фермент в форме бабочки известен как F₄₂₀-зависимая сульфитредуктаза (Fsr). Он способен превращать сульфит в сульфид — безопасный источник серы, необходимый метаногенам для роста. В текущем исследовании Йесперсен и её коллеги описывают, как работает этот фермент.

«Фермент захватывает сульфит и напрямую восстанавливает его до сульфида, который может быть включён, например, в аминокислоты, — объясняет Йесперсен. — В результате метаноген не отравляется и даже использует продукт как источник серы. Они превращают яд в пищу».

Звучит просто. Но на самом деле исследователи столкнулись с увлекательным и сложным совпадением. «Есть два пути восстановления сульфита: диссимиляционный и ассимиляционный, — поясняет Йесперсен. — Изучаемый организм использует фермент, который построен как диссимиляционный, но работает по ассимиляционному механизму. Можно сказать, он сочетает лучшее из обоих миров, по крайней мере, для своих условий жизни».

Предполагается, что ферменты обоих путей эволюционировали от одного общего предка. «Сульфитредуктазы — древние ферменты, оказывающие большое влияние на глобальные циклы серы и углерода, — добавляет Тристан Вагнер, руководитель исследовательской группы микробного метаболизма. — Наш фермент, Fsr, вероятно, является снимком этого древнего первозданного фермента, захватывающим взглядом в эволюцию».

Биотехнологические применения

Fsr не только открывает эволюционные перспективы, но и позволяет лучше понять увлекательный мир морских микробов. Метаногены, способные расти только на сульфите, обходят необходимость использования опасного сульфида — их обычного субстрата серы. «Это открывает возможности для более безопасных биотехнологических применений для изучения этих важных микроорганизмов. Оптимальным решением было бы найти метаноген, восстанавливающий сульфат, который дёшев, распространён и полностью безопасен как источник серы», — говорит Вагнер.

Такой метаноген уже существует — это Methanothermococcus thermolithotrophicus. Исследователи предположили, что Fsr управляет последней реакцией этого пути восстановления сульфата, поскольку одним из его промежуточных продуктов был бы сульфит. «Наша следующая задача — понять, как он может преобразовывать сульфат в сульфит, чтобы получить полную картину возможностей этих чудесных микробов».