Как микроб создал собственную систему восстановления сульфата

Учёные из Института морской микробиологии Макса Планка (Бремен, Германия) раскрыли молекулярные секреты метаногенного микроба, способного превращать сульфат в сульфид — готовый строительный блок для клетки. Это открывает новые возможности в производстве биотоплива.

Сера — фундаментальный элемент жизни. Автотрофы, такие как растения и водоросли, получают её, восстанавливая сульфат до сульфида, который можно включить в биомассу. Однако этот процесс энергозатратен и производит вредные промежуточные продукты.

Ранее считалось, что метаногены, которым обычно не хватает энергии, не способны на такое превращение. Предполагалось, что эти микробы, производящие половину мирового метана, полагаются на другие формы серы, например, сульфид.

Метаноген, усваивающий сульфат?

Эта догма была опровергнута в 1986 году открытием метаногена Methanothermococcus thermolithotrophicus, растущего на сульфате как на единственном источнике серы. Как это возможно с учётом энергозатрат и токсичных промежуточных продуктов? Марион Йесперсен и Тристан Вагнер нашли ответы, опубликовав их в журнале Nature Microbiology.

Первой задачей было заставить микроб расти на новом источнике серы. После оптимизации питательной среды M. thermolithotrophicus достиг плотности клеток, сравнимой с ростом на сульфиде. Исчезновение сульфата по мере роста доказало, что метаноген преобразует этот субстрат. Это позволило безопасно культивировать микроб в биореакторах в больших масштабах, не завися от токсичного и взрывоопасного сероводорода.

Первый молекулярный анализ пути ассимиляции сульфата

Учёные проанализировали геном M. thermolithotrophicus и обнаружили пять генов, потенциально кодирующих ферменты, связанные с восстановлением сульфата. Охарактеризовав каждый фермент, они собрали первый путь ассимиляции сульфата у метаногена.

Первые два фермента пути хорошо известны и встречаются у многих микробов и растений. Следующие ферменты оказались новыми. Выяснилось, что M. thermolithotrophicus, по-видимому, «захватил» один фермент у диссимиляционного сульфатредуктора и слегка модифицировал его для собственных нужд.

Микробы, осуществляющие диссимиляционное восстановление сульфата (для получения энергии), используют другой набор ферментов. Изученный метаноген превратил один из этих диссимиляционных ферментов в ассимиляционный. «Простая, но высокоэффективная стратегия и, скорее всего, причина, по которой этот метаноген способен расти на сульфате. Пока этот конкретный фермент найден только у M. thermolithotrophicus», — объясняет Йесперсен.

Однако микробу также нужно справляться с двумя ядами, образующимися при ассимиляции сульфата. Для этого служат последние два фермента пути: первый (снова похожий на диссимиляционный) генерирует сульфид из сульфита, а второй представляет собой новый тип фосфатазы, эффективно гидролизующей другой яд — PAP.

«Кажется, M. thermolithotrophicus собрал генетическую информацию из своего микробного окружения, которая позволила ему расти на сульфате. Комбинируя ассимиляционные и диссимиляционные ферменты, он создал свою собственную функциональную машину для восстановления сульфата», — говорит Вагнер.

Новые пути для биотехнологического применения

Гидрогенотрофные метаногены, такие как M. thermolithotrophicus, обладают удивительной способностью превращать дигидроген (H₂, например, искусственно произведённый из возобновляемой энергии) и диоксид углерода (CO₂) в метан (CH₄). Другими словами, они могут преобразовывать парниковый газ CO₂ в биотопливо CH₄.

Метаногены выращивают в больших биореакторах. Текущим узким местом является их потребность в высокоопасном и взрывоопасном сероводороде в качестве источника серы. С открытием пути ассимиляции сульфата у M. thermolithotrophicus появилась возможность генетически модифицировать уже используемые в биотехнологии метаногены для использования этого пути, что приведёт к более безопасному и рентабельному производству биогаза.

«Неразрешённый насущный вопрос — зачем M. thermolithotrophicus усваивает сульфат в природе. Чтобы это выяснить, нам нужно выйти в поле и посмотреть, экспрессируются ли ферменты, необходимые для этого пути, в естественной среде обитания микроба», — заключает Вагнер.